大型扭矩仪计量校准装置的设计

白 旭

(92493部队89分队，葫芦岛 125000)

0 引言

船舶扭矩测量仪测量的扭矩参数是船舶主动力系统性能的直接反映，是进行船、机、桨匹配和燃油管理的重要数据，直接关系到船舶主动力系统技术性能的发挥和全船的安全性和机动可靠性。

通过对船舶扭矩测量仪在线校准的技术研究，设计大型扭矩仪计量校准装置，可为船舶扭矩测量仪提供在线校准技术手段，保证船舶扭矩测量仪的长期测量准确度，为船舶航行的安全性、可靠性提供坚实的保障[1]。

1 设计内容及总体思路

1.1 设计内容

1.1.1 标准扭矩传感器技术研究

标准扭矩传感器系统是整套设备的核心部件，其由弹性体、应变片等零部件组成。它的工作原理是当轴受扭矩时，安装在固定器具上的弹性体产生相应的变形，粘贴在弹性体上的应变片产生一个与扭矩近似成正比的应变，通过电桥电路转换成相应的电压输出。

标准扭矩传感器是扭矩现场校准的基准，它的准确度决定了校准结果的准确度，它应具有良好的线性度、足够宽恒弹性范围和高稳定性。进行扭矩量值传递时，首先在扭矩校准实验室通过扭矩标准机对标准扭矩传感器进行标定，然后在船舶现场采用扭矩仪计量校准装置对安装在传动轴上的大扭矩测试系统进行在线校准。

1.1.2 供电及信号接收发射系统与无线接收系统技术研究

普通的船用扭矩仪的供电部件一般均采用滑环与碳刷相结合的供电方式，但相对于扭矩仪计量校准装置的便携性与可快速安装使用的特性而言，传统的供电方式不但所需要的组件多、重量重、携带不便，而且对该组件安装的要求也较高，不适合快速安装使用的要求，同时碳刷的更换也很不方便，不利于设备的维修与维护。必须进行该方面的研究，使扭矩仪计量校准装置可以适合船舶快速校准的技术需求。

1.1.3 标准扭矩传感器安装固定器具设计研究

为了确保信号的准确性，标准扭矩传感器安装固定器具的机械部分的高准确度安装是首先需要保证的，否则，扭矩传感器信号的准确输出几乎不可能达到[2]。部件设计采用等刚度设计方法，使卡环各部分的应力均匀分布，在机械设计时，保证扭矩传感器与卡环的安装处采用必要的高准确度定位的固定形式。在上下卡环的连接处采用套筒销带螺栓固定的结构形式。同时应充分考虑固定器具的动平衡设计。从而使标准扭矩传感器在旋转状态下产生扭矩测量误差最小。

1.1.4 前端信号处理装置技术研究

为能提高无线遥测信号接收的准确性和可靠性，必须采用专用的前端信号处理装置对测量信号进行前置处理。将前端信号处理装置靠近信号源配置，减小了信号传输途径外部干扰信号的影响。采用光电隔离措施，提高信号的信噪比，增强抗电气干扰能力，解决了由于船舱内各种设备间的电气干扰与信号线过长引起的信号不稳定和信号衰减的问题。

1.1.5 信号处理与显示装置技术研究

为能符合在线校准需要，项目设计的信号处理与显示装置应是能集信号采集、处理、打印、控制、实时图形显示等各项功能于一身的高性能仪表。其可以对标准传感器输出的数据进行后期处理，并将结果数据进行显示和打印，同时可在线调整被校扭矩测量仪，使被校扭矩测量仪的数据误差得到相应修正。研究内容主要包括数据同步采集和分析、便携性、数据比对等技术[3]。

1.2 总体思路

以大量安装使用、航行获得的数据为基础，结合通用式扭矩测量仪的设计经验，以此来设计大型扭矩仪计量校准装置。首先在扭矩传感器的设计方面需要做大量的试验，设计性能更好的扭矩传感器，在稳定性、线性度上都要有质的提升；其次，在机械部分要减轻设备的重量，同时减少安装空间，充分体现出便携性的特点；然后通过设计专用前端信号处理装置，有效提高无线测试信号的稳定性，避免信号衰减；最后，在电控方面要做到人机界面简单，易于操作，采用目前主流的触摸屏界面。总体思路框图如图1所示。

图1 总体思路框图

2 总体方案设计

大型扭矩仪计量校准装置总体方案流程框图见图2。

图2 总体方案流程框图

扭矩仪计量校准装置应定期送至扭矩量传机构进行溯源校准，以保证扭矩仪计量校准装置的扭矩量传的准确性。扭矩校准实验室的校准过程分为静态校准和扭矩(转速特性)校准二部分。静态校准是对标准扭矩传感器的线性度、重复性和复现性等指标进行校准[4]。扭矩(转速特性)校准是在模拟实船装备扭矩测量仪的实际工作转速下对因转速变化引起的扭矩变化进行校准。静态校准和扭矩转速校准的结合，就可以得到标准扭矩传感器的误差，以确定整套装置的准确度。

溯源校准后的扭矩仪计量校准装置即可进行现场校准工作了。校准装置的测量不确定度远远优于船舶扭矩测量仪，满足国家计量检定规程要求。船舶扭矩测量仪固定安装在船舶主轴上，对其进行现场校准时，将扭矩测量仪校准装置的标准扭矩传感器通过专用固定器具安装在船舶主轴被测轴系上后，当轴系承受扭转变形后，扭矩传感器的弹性体也产生相应的位移量变形，粘贴在弹性体上的应变片的敏感栅也随同变形，随之电阻也发生相应的变化，应变片产生一个与扭矩成正比的应变，通过电桥电路转换成相应的电压输出，从而测出扭矩变化信号，再通过发射天线组件进行信号发射，由接收天线接收后与转速信号一同送入前端信号调制装置进行信号前期处理，并将信号放大后再送入信号处理显示装置作最终信号处理，并可实时显示测试数据，同时与被校船舶扭矩测量仪的显示数据进行比较，得到测量误差。

2.1 轴系扭矩的测量原理[5]

扭矩的测量是根据被测轴受扭矩力后，在轴向变形距离L产生的扭转变形角，根据材料力学公式，其应变计算公式为：

式中：M为扭矩；θ为被测轴扭转变形角；J为极惯性矩；L为变形长度(即卡环刀口距离)；G为被测轴弹性模量。

由以上公式可知，当被测轴材料确定后，则扭转变形角θ与扭矩M成正比。由于卡环夹紧在被测轴上(禁止滑动)。因此两卡环之间的相对位移Δ为：

Δ=θ·g

式中：g为轴中心线与传感器中心线之间的距离。

将扭矩传感器安装在卡环上，当轴受到扭矩时，两卡环相对转动θ角，相对位移Δ，使扭矩传感器变形，应变片产生应变讯号，该讯号与扭矩成正比。将此讯号无线发射至接收端，最终送PLC数据处理系统进行数据处理后，即可测得轴上所受的扭矩值。

2.2 轴系转速测量原理[6]

测速装置采用光电式传感器，转速传感器对应于测速齿轮固定在机架上，测速齿轮齿数设计为60齿，探头与齿顶距离10～15mm，当轴转动时，光电式传感器感应出近似正弦信号的电压，讯号电压经专用信号处理单元进行放大整形后形成为方波脉冲讯号，然后测出讯号方波频率量，就可以得到相应的转速。转速测量原理公式如下所示：

式中：n为转速；Nx为方波脉冲频率量；z为测速齿轮的齿数。

2.3 轴系功率的测量原理

轴系上的功率、扭矩、转速之间的物理定义公式为：

式中：T为轴上所受扭矩，N·m；W为功率值，kW；n为轴转速，r/min。

以上三个物理量中，功率值作为导出量是无法直接测得的，但扭矩值和转速值可以通过专用传感器做出精确的测量。因此，只需对轴上的扭矩值与转速值进行精确的测量，即可得出准确的功率值。

3 总体布局及系统组成

3.1 总体布局

整套大型扭矩仪计量校准装置由传感器装置和信号处理与显示装置两大部件构成，如图3、图4所示。

图3 传感器装置

图4 信号处理与显示装置

3.2 系统组成

整套测量系统由7大部分组成，其组成系统框图如图5所示。

图5 扭矩仪计量校准装置系统组成

4 试验结果分析

4.1 常规试验

4.1.1 台架静态标定轴试验

在大扭矩标准装置上，严格按CB 3410—1991《船舶用遥测扭矩仪》中的相关校准要求，首先对设计的扭矩仪计量校准装置进行台架静态量值校准。

为了满足实验室校准检测的需要，必须按技术要求设计制造专用标定轴，其法兰接口的尺寸应符合所使用校准装置(大扭矩标准装置)的接口尺寸要求。将扭矩仪计量校准装置严格按要求安装就绪后，进行台架静态校准。标定轴连接方式与接入大扭矩标准装置后的校准状况示意图如图6所示。

图6 扭矩仪计量校准装置台架静态校准示意图

将被测传感器安装在扭矩标准装置上，显示仪的系数置于传感器校准系数值。调扭矩标准装置加载力臂，使其处于水平位置，按显示仪调零按钮，使显示仪为零。正式校准前被检传感器预载三次，每次由零增加到额定值，再由额定值降到零，加载时不得卸载，卸载时不得加载，进回程反复测量三次，完整记录各点读数，直到满量程校准结束。

4.1.2 扭矩仪计量校准装置转速特性试验

为了完成扭矩仪计量校准装置的转速特性试验和转速传感器的校准，必须要有一套调速校验联接装置作为试验的平台。其应按标定轴的法兰接口尺寸进行设计，从而可将卡环式扭矩仪与标定轴整体的连接入试验调速系统，进行转速方面的各项试验。其初步设计如图7所示。

图7 调速校验联接装置设计方案图

4.1.3 转速特性校准试验步骤

将被测传感器安装在调速校验台上，用转速表测量转速，并同时记录转速变化引起的扭矩变化值。由此得出由于转速离心力等因素所引起的扭矩测量误差值。

4.2 转速校准

4.2.1 转速测量系统设计

为了能进行完整的功率值测量，扭矩仪校准计量装置设计配套有相关的转速测量系统，结合扭矩测量系统，整套装置可以完成轴系功率值的测量。转速测量系统机械部分设计方案简图如图8所示。

图8的转速测量系统，为了能与卡环式扭矩仪组成一个完整的系统，还需作适应性设计。

4.2.2 转速测量系统校准试验

在对扭矩仪计量校准装置进行静态扭矩校准和转速特性试验的同时，也必须对配套的转速测量系统进行校准。将被测转速传感器安装在调速校验台上，用转速表测量转速，其显示值与显示仪上显示的转速值进行对比，并记录其读数值，重复三次。

图8 转速测量系统设计方案图

5 结论

大型扭矩仪计量校准装置克服了以往滑环碳刷供电的形式，采用电池供电的形式从而降低了安装的空间。在左、右卡环的材料选择上选用密度较小的7A09使得安装、使用、维护都减轻了负担，提高工作效率。

通常一般的扭矩传感器精度都在1%FS，而本项目中通过优化设计、选型使得其精度达到了0.5%FS。

正因为以上种种革新设计，大型扭矩仪计量校准装置做到了随时测量主轴输出扭矩、功率、转速的特点。保证了船舶主动力系统性能的发挥以及全船的安全性和机动可靠性。

[1] 李孝武，等.力学计量[M].北京：中国计量出版社，1999

[2] 沈宗廉.惯性技术测试设备主要性能试验方法[J].北京：中国标准出版社，1994

[3] 宗孔德，胡广书.数字信号处理[J].北京：清华大学出版社，1993

[4] JJG 995—2005静态扭矩测量仪

[5] 商维绿.现代扭矩测量技术[M].上海：上海交通大学出版社，1999

[6] JJG 924—2010转矩转速测量装置